基于泛在電力物聯網的智慧物聯體系研究

孔震

通過對國家電網公司主配網通道、設備和客戶側的狀態感知現狀及問題的分析，以及對消費側物聯網與工業級物聯網的特征比較，闡述基于泛在電力物聯網的智慧物聯體系的構建思路，提出重點加強業務邊緣計算能力的觀點，具體描述符合泛在電力物聯網建設要求的工業級智慧物聯網多層體系架構，對其中物聯管理平臺、邊緣物聯代理等關鍵技術進行研究，重點分析基于物模型的設備管理、數據處理、連接管理、應用管理、邊緣計算框架等功能，為泛在電力物聯網的智慧物聯體系建設提供依據。

一、引言

國家電網公司（以下簡稱國網公司）提出的泛在電力物聯網建設工作，旨在以互聯網思維，優化傳統的信息通信及安全架構，以“云大物移智鏈”等新技術為傳統電網賦能，提高電網的感知能力和互動能力，進而提升電網運行質效、客戶服務質量和社會綜合能效，構建廣泛互聯、開放共享的能源互聯網生態圈。

面對電網傳統業務及智慧能源等新興業務，電網設備及客戶側感知、采集和監控等需求日益增強，國網公司亟需構建一套標準化、互動化、智能化的物聯管理體系，以能實時感知各類設備及客戶側的海量運行信息，并對傳感設備進行統一接入管理，實現智慧物聯、深度感知、友好互動的建設目標。

二、現狀分析

國網公司經過十多年的自動化及信息化系統建設，物聯網應用已具有一定基礎，狀態感知的范圍主要包括設備電流、電壓、功率等電氣狀態，設備故障、形變、放電、溫度等設備本體狀態，設備運行場所溫濕度、煙感等環境狀態。在輸變電側，通過遠程終端設備（Remote Terminal Unit，RTU）采集變壓器等主網設備運行狀態和電氣狀態，接入調度自動化系統，設備及線路的環境狀態感知較弱。在中壓配網側，通過配電自動化饋線終端裝置（Feeder Terminal Unit，FTU）和開閉所及環網柜的終端設備（Data Transfer Unit，DTU）采集中壓配網設備的負荷、電壓、功率和開關位置等遙測數據接入配電自動化系統，但受限于當前配電網量測裝置覆蓋率低，設備及線路的環境狀態感知較弱。在低壓配網側，通過智能配變終端（Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit，TTU）采集配電變壓器等低壓配電設備的運行數據，相關設備規模龐大但標準化程度低。在低壓臺區側，通過電表和用采集中器定時采集或召測用電關口數據接入用電信息采集系統。

與泛在電力物聯網“全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新”的提升目標相比，國網公司現有的設備及客戶側感知能力仍顯不足。一是公司現有感知系統由專業主導建設，以滿足專業應用為主，各專業形成橫向條塊化、縱向垂直化的獨立體系，傳感設備重復部署，難以實現一次采集、共享共用。二是在配用電等環節，狀態感知設備覆蓋面不廣，設備狀態及客戶側用能信息感知不全且不及時。三是在互聯網側缺少感知來源，網絡部署結構無法支撐綜合能源服務、數據運營等新業態發展。四是現有感知體系未按標準化建設，難以集中統一管控，無法敏捷響應應用需求，需要大量現場運維工作。基于上述原因，國網公司亟需構建企業級的泛在電力物聯網智慧物聯體系。

三、總體思路

物聯網被IT業界認為是互聯網發展的“下半場”，率先在消費側通過先進的信息通信技術，接入個人或家庭的健康手環、智能盒子等海量終端，實現對健康數據、消費數據等非實時感知數據的分布采集和集中處理，推動了消費側商業模式升級。支撐消費側物聯網應用場景的物聯體系架構通常采用弱邊緣智能計算、強集中智能處理的設計思路，即強化云平臺能力、降低邊端復雜度，以能夠進一步降低消費側感知設備的成本，最大程度拓寬感知范圍。以制造業為典型的工業級物聯網應用場景，實現了對設備本體的實時感知和就地控制，對設備本體感知設備的智能計算要求較高，其物聯體系架構通常采用強終端智能計算的設計思路。

在電網系統，從變電站到客戶側，狀態感知的地域范圍逐步縮小、設備量級逐步增大，且需滿足工業級逐級控制的應用場景要求，對區域邊緣、設備及客戶側等感知末端的接入種類、計算能力、安全性和智能化要求較高，而消費側物聯體系架構在邊緣和終端層面的相關能力尚有不足，傳統工業級物聯體系架構在邊緣層面的相關能力也不充分。故而，滿足泛在電力物聯網建設要求的智慧物聯體系需重點加強物聯邊緣和終端的能力，在中心化的物聯平臺層面要支持多類型邊緣和終端的上行接入和下行控制，且邊緣和終端之間也需具備智能互動能力，進而支持區域自治等應用場景。

四、體系架構

結合泛在電力物聯網建設要求，借鑒業界成熟物聯網體系架構，泛在電力物聯網的智慧物聯體系采用“邊端分離、邊管共用”的多層體系架構，參見圖1。在“端”側，即感知層，支持DTU、FTU、TTU、智能電表、采集器、充電樁、攝像頭、機器人等傳統設備，以及未來智能家居、辦公樓宇、工業園區等客戶側新型感知設備的接入。在“邊”側，即邊緣物聯代理，支持區域內不同類型感知設備的統一接入和管理，并可實現基于邊緣物聯代理裝置的就地計算和區域自治，避免因海量數據上傳云端加工處理而產生的帶寬浪費和響應延時等問題。感知終端通過短距離無線通信手段與邊緣物聯代理進行交互，也可通過無線公網或無線專網直接接入物聯管理平臺。在“管”側，即物聯管理平臺，實現對感知設備及邊緣物聯代理的統一管理，并對接入數據按標準規約轉換后，轉發至“云”端的業務中臺/數據中臺，為業務分析和管控類企業級應用提供基礎支撐。

此架構的目標是，末端感知設備只采集基本電氣或狀態量，不做復雜計算，通過在一個基本單元區域，如一個用電臺區范圍內，部署一套邊緣物聯代理裝置，統一匯集和處理配網和營銷等各專業末端采集信息并傳送至省級統一部署的物聯管理平臺，即通過感知終端與邊緣物聯代理的“邊端分離”，實現同區域范圍、不同專業間的“邊管共用”，避免感知設備因功能復雜導致成本偏高、因重復部署導致同類數據多次采集等問題。

五、關鍵技術

（一）物聯管理平臺

物聯管理平臺通常在每省電力公司的云端部署一套，主要包括設備管理、數據處理、連接管理、應用管理等功能模塊，實現對所轄范圍內各類“邊“和”端”的智能設備的統一管理和狀態采集。

設備管理包括設備模型、設備注冊、設備影子、設備拓撲、實時監控、遠程運維等模塊。其中，設備模型是設備管理和數據處理的基礎，借鑒信息物理融合系統（Cyber-Physics System，CPS）理念，采用物模型（Thing Specification Language，簡稱TSL）設計思路，即將物理空間中的實體模型化、數字化，從屬性（遙測）、事件（遙信）、服務（遙控）三個維度進行模型定義及管理。屬性定義終端的靜態參數，如終端類型、終端ID等，以及量測量，如電壓、電流、有功功率等；事件定義終端發生的動作，如過流事件、斷相事件、磁場異常事件等；服務定義對終端的控制操作，如終端對時、數據召測等。物聯管理平臺對各專業終端物模型進行定義并下發到邊緣物聯代理，在邊緣物聯代理處，傳感信息聚合至物模型，上傳至物聯管理平臺進行校核和數據規約轉換。設備影子通常是一段JSON格式的描述信息，用于存儲設備的在線狀態、設備最近一次上報的設備屬性值、應用服務器期望下發的配置等。每個設備有且只有一個設備影子，設備可以獲取和設置設備影子以此來同步設備屬性值，該同步可以是影子同步給設備，也可以是設備同步給影子。

數據處理包括規則引擎、實時計算、流計算、數據緩存等模塊，實現對各專業終端采集數據的解析處理，通過規則引擎對采集數據進行加工、清洗、轉換和分發，通過緩存處理或就地計算等技術手段合理降低上行流量壓力。

連接管理包括協議轉換、安全認證、消息總線、負責均衡等模塊，實現對各專業終端的身份認證和接入管理，可通過消息總線等方式上載終端狀態數據或下發服務端的配置及控制信息，并支持各類通信通道的統一接入和管理，通常在終端側包含用于安全認證的加密芯片

應用管理包括應用商店、應用注冊、應用監控、應用升級等模塊，實現對各專業APP應用上架、發布、升級、配置、調試、監控、下架的全生命周期管理，可通過遠程批量升級等方式，實現APP按需快速部署或更新至邊緣物聯代理或其它智能終端設備。

（二）邊緣物聯代理

邊緣按消費側物聯網架構通常分為個人邊緣、業務邊緣、云邊緣三類，泛在電力物聯網中的邊緣物聯代理類似業務邊緣，通常部署在臺區等區域，主要用于匯聚和處理區域內各類溫濕度傳感器、電氣設備傳感器、機器人感知的信息。

邊緣物聯代理包括操作系統、應用容器、模型管理、接入管理、內存庫、通信模組、邊緣計算框架[等功能模塊。其中，操作系統可基于centOS等定制研發，實現系統監測、安全認證和接入、安全升級、實時調度、可信度量等功能。應用容器實現應用空間及權限隔離，以支持不同專業APP的獨立部署和運行。模型管理與物聯管理平臺的設備模型功能對應，實現物聯管理平臺設備模型的統一下發及對智能終端設備的管理。邊緣計算框架是邊緣物聯代理內嵌APP的開發和運行環境，封裝設備模型管理、子設備接入、消息總線、規則引擎、內存計算等基礎功能服務，支撐邊緣智能計算等應用。

六、展望

泛在電力物聯網智慧物聯體系后續建設工作的關鍵是制修訂相關標準，實現各類電網側和用戶側既有和新增智能感知終端的廣泛接入和規范采集，通過物聯管理平臺實現海量終端的連接和數據接入，持續向配網的網格化和智能化方向探索，逐漸構建邊緣智能計算能力，穩步實現以區域自治為核心的智慧臺區建設，形成用戶分鐘級用能數據匯聚，支撐電網智慧運營及新業態拓展，形成跨專業數據共享共用的生態，充分發揮數據資產價值，為全社會效能提升貢獻更大價值。

作者單位：南瑞集團有限公司